Photovoltaik am Gebäude - Stromversorgung mit Solarzellen? (2001)

Dr. Hansjörg Gabler • Photovoltaik am Gebäude – Stromversorgung mit Solazellen?
FVS Themen 2001
Photovoltaik am Gebäude –
Stromversorgung mit Solarzellen?
Einleitung
Photovoltaik ist die direkte Umwandlung von
Sonnenlicht in elektrischen Strom. Trotz immer
noch hoher Investitionskosten – bei gleichzeitig schneller technischer Weiterentwicklung –
erlebt die Photovoltaik derzeit in Deutschland
einen massiven Ausbau. 400.000 Quadratmeter Photovoltaik wurden allein im Jahr 2000
in Deutschland installiert, für das Jahr 2001
ist nochmals eine Verdoppelung der Neuinstallation abzusehen.
Die für Deutschland beobachtete Marktentwicklung wird durch industrie- und energiepolitisch motivierte staatliche Unterstützung
in Form eines Kreditverbilligungsprogramms
(100.000-Dächer-Programm) sowie durch eine
Vergütung für Strom aus erneuerbaren Energien im Rahmen des Erneuerbare-EnergieGesetz (EEG) getragen.
Die Entwicklung in Deutschland sollte auf dem
Hintergrund der weltweiten Entwicklung photovoltaischer Stromerzeugungstechnik gesehen
werden. Seit Ende der 90er Jahre wächst der
Markt für Solarmodule mit jährlichen Zuwachsraten von mehr als 20%, bei einem Gesamtvolumen von etwa 2 Milliarden Euro im Jahr 2000.
Das dominierende Anwendungsgebiet von
Photovoltaik war lange Zeit die Bereitstellung
kleiner Mengen elektrischen Stroms, dort wo
kein Stromnetz zur Verfügung stand, sei es
für Signale oder Messeinrichtungen, für portable Anwendungen oder die Grundversorgung
in den Regionen der Welt, in denen ein Netzausbau noch nicht erfolgen konnte. Vor etwa
3 Jahren haben die Anwendungen, bei denen
der erzeugte Strom direkt in die großen Stromverteilungsnetze eingespeist wird, die Marke
von 50% der weltweit jährlich neu installierten
Leistung überschritten. Bedingt durch die Struktur der Förderprogramme ist dabei der Anteil
der ans Stromnetz gekoppelten Leistung in
Deutschland und in Japan besonders hoch.
Auf dem deutschen Markt werden 95% der
neu installierten photovoltaischen Erzeugungsleistung elektrisch an das Stromnetz gekoppelt. Diese netzgekoppelten Photovoltaikanlagen haben heute typischerweise Nennleistungen zwischen 2 kW und 100 kW, das entspricht
Flächen zwischen 20 und 1000 Quadratmetern.
Für die weit überwiegende Anzahl dieser Anlagen dienen Dachflächen als Tragestrukturen
und in etwas geringerem Umfang Gebäudefassaden.
Umgekehrt können aber auch photovoltaische
Baukomponenten verschiedenartige Funktionen für die Gebäude ausfüllen. In den besten
realisierten Anlagen wurde neben der reinen
Stromerzeugung eine Synergie aus architektonischer Funktion, bautechnisch funktionaler
Funktion und energetischer Funktion gefunden.
Dr. Hansjörg Gabler
ZSW
[email protected]
Dr. Christian Bendel
ISET
[email protected]
Dipl.-Ing.
Dirk Tegtmeyer
ISFH
[email protected]
Dr. Karsten Voss
Fraunhofer ISE
[email protected]
Im Folgenden soll in Beispielen aus der Arbeit
von Forschungsinstituten im Forschungsverbund Sonnenenergie über Aspekte der Gebäudeintegration von Photovoltaikanlagen
berichtet werden.
1. Photovoltaik als
Gestaltungselement
Beispiel:
Servicepavillon auf einer
Badeinsel im Steinhuder Meer
Ort eines für die EXPO realisierten Bauvorhabens der Elektrizitätswerke Minden-Ravensberg
(EMR) ist eine Badeinsel im Steinhuder Meer
(Binnensee und Segelgewässer westlich von
Hannover) [1]. Für das realisierte Gebäude
mit Café, Bootshaus, Lagerräumen und Sanitäreinrichtungen plante EMR gemeinsam mit
dem Institut für Solarenergieforschung
Hameln/ Emmertal (ISFH) eine Energieanlage,
die die vollständige Versorgung des Gebäudes
aus erneuerbaren Energiequellen vorsieht.
(Abb. 1 und 2)
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Abbildung 1 (links)
Servicepavillon auf
einer Badeinsel im
Steinhuder Meer.
Abbildung 2 (rechts)
Holzständerkonstruktion mit transluzenten Wand- bzw.
Dachelementen im
Servicepavillon.
Architekten: R. Stout, Los Angeles und H. Rullkötter, Herford.
Herzstück des Versorgungskonzeptes ist die
dachintegrierte Photovoltaikanlage, die mit
einer Gesamtfläche von 170 m2 gleichzeitig
Wetterschutz, architektonisches Gestaltungselement und Energieerzeugungsanlage ist.
Das Gebäude ist Beispiel dafür, dass die Architektur, in der Photovoltaik eine tragende Rolle
in einem futuristischen, ästhetischen Konzept
übernimmt. Insgesamt 16 kWp installierter
Photovoltaikleistung wurde in Form teiltransparenter identischer Module im Dachbereich
des Gebäudes realisiert. Die Architektur und
die Energieanlage, die in ökologisch sensibler
Umgebung mit Sonnenlicht und Biomasse
arbeitet, wurden mehrfach preisgekrönt.
PhotovoltaikFassade
Mauerwerk
FassadenKonstruktion
Wärmedämmung
Wetterschutz
Abbildung 3
Photovoltaische
Module als integrales
Element eines
Fassadensystems mit
einer Vielzahl von
Funktionen.
Schalldämmung
Ästhetik/Design
Fensternische
°c
+20
+15
Abschattung
PhotovoltaikDoppelscheibenelment
Mauerwerk
Wetterschutz
Abschattung
Schirmdämpfung
Solar Planarantenne
SOLPLANT
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Thermische
Energiewandlung
Elektromagnetische
Energiewandlung
Photovoltaische
Energiewandlung
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Kostenvergleich verschiedener Fassadenhöhen
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(Investitionskosten in Euro je Quadratmeter)
Abbildung 4
Kostenrelation verschiedener Fassadensysteme. Die Kostenangaben stellen
grobe Richtwerte dar
und gelten jeweils für
vollständige Fassadensysteme mit
Wärmedämmung,
Betonbrüstung oder
vergleichbaren Bauelementen, Fenstern
und äußerem
Abschluss.
Basisfunktionalität
Beton-, Putz- oder Metallfassade
Hoher Anspruch an Funktionalität und Gestaltung
Glas-, Keramik- oder Natursteinfassade in Pfosten/Riegel-Konatruktion
Photovoltaikfassade mit hoher Funktionalität und hohem Anspruch an ästhetischer Qualität
Photovoltaikfassade in Pfosten/Riegel-Konatruktion
Standardanlagen Photovoltaik
Aufdach-Montage oder Freifeld, Kosten incl. Wechselrichter, Planung und Montage
0
250
500
3. Photovoltaik
als Funktionselement
Beispiel 1:
Die multifunktionale Gebäudefassade
In Solarmodulen wird Licht in elektrischen
Strom umgewandelt. Die aktive Schicht des
Solarmoduls wird im Allgemeinen von einem
Glas/Glas-Verbund getragen und geschützt.
Dieses Glas/Glas-Verbundelement kann wieder
als äußeres Element von Gebäudefassaden eingesetzt werden.
Eine Arbeit an der Universität Gesamthochschule Kassel und dem Institut für Solare
Energieversorgungstechnik Kassel (ISET) beschreibt die mehrfachen Funktionen, die ein
Photovoltaikmodul als Architekturkomponente
in der Gebäudefassade erhält [2]. (Abb. 3)
Das Photovoltaikmodul übernimmt somit über
seine Hauptfunktion der Stromerzeugung hinaus auch die Basisfunktionen herkömmlicher
Fassadenelemente: Wetterschutz, Wärme- und
Schalldämmung sowie architektonisch gestalterische Funktionen. Ein Teil der Kosten herkömmlicher Fassadenelemente kann deshalb
bei sorgfältiger Planung mit den Kosten einer
Photovoltaikfassade gegengerechnet werden.
Hinzu kommen künftig aber noch Funktionen
750
1000
1250
mit dem Ziel der Reduktion von Heiz- bzw.
Kühllasten (Thermische Energiewandlung und
Abschattung), Antennenfunktionen (z. B. für
Handyverkehr) oder der elektromagnetischen
Abschirmung (Elektromagnetische Energiewandlung und Elektromagnetische Schirmdämpfung).
In dieser Betrachtungsweise kann sich die
Zusatzinvestition in die photovoltaische, d. h.
in die stromerzeugende Eigenschaft der Solarfassade unter den gegebenen Bedingungen
des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG)
durchaus in vernünftigen Zeiträumen rein
betriebswirtschaftlich gerechnet amortisieren.
In Abb. 4 werden Kostenangaben für vollständige Fassadensysteme gemacht. In konkreten
Fällen sind je nach Ausführung deutliche
Abweichungen nach oben und nach unten
möglich. Die Zahlenangaben zeigen aber, dass
eine Photovoltaikfassade einen Kostenbonus
für den Einsatz herkömmlicher Fassadenelemente beanspruchen kann.
Beispiel 2:
Photovoltaik und Licht
Die Gewinnung von Strom durch Photovoltaik
kann in Konkurrenz treten zum Bedarf nach
natürlicher Beleuchtung der Innenräume eines
Gebäudes mit Tageslicht. Die Nutzung des
Sonnenlichts kann aber auch Abschattungs
funktion erfüllen: Bewegliche Sonnenschutz-
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lamellen, mit Solarzellen belegt, vor bzw. über
den Fenstern angeordnet, verhindern sommerlichen Energieeintrag in das Gebäude und
damit überhöhte Kühllasten. Eine Winkelnachführung kann gleichzeitig, dem Sonnenstand
angepasst, blendfreies Licht am Arbeitsplatz
sicherstellen und den Ertrag solarer Stromerzeugung auf den Lamellen optimieren.
Dies kompensiert zum großen Teil den Minderertrag von photovoltaischen Stromerzeugern, die nicht immer winkeloptimiert aufgestellt werden können.
In dem vom ZSW entwickelten und von der
Firma Colt International (Schweiz) realisierten
System wird auch die Bewegung der Elemente
thermohydraulisch durch die Sonne und damit
”selbsttätig” durchgeführt [3]. Wie in Abb. 5
und 6 gezeigt, tragen die Abschattungslamellen integrierte Photovoltaikelemente. Die insgesamt installierte Leistung beträgt 20 kWp,
Abbildung 5
Einzelelemente der
Photovoltaik-Tageslicht-Fassade am
Verwaltungsgebäude
Wirtschaftshof Linz.
sie deckt in der Jahresbilanz 60% des Stromverbrauchs des Gebäudes. Der thermohydraulische Antrieb gewährleistet zu jeder Tageszeit
hohen Solarenergieertrag und gleichzeitig hohen blendfreien Tageslichteintrag in die Räume.
4. Photovoltaik als Baustein
in einem integralen Gebäudeenergiekonzept
Knapp die Hälfte der gesamten Primärenergie
wird in Deutschland für den Betrieb von Gebäuden eingesetzt. Während bei Wohngebäuden der Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser im Vordergrund steht, ist bei Bürogebäuden vor allem die elektrische Energie für
die technische Gebäudeausrüstung (Beleuchtung, Lüftung, Klimakälte) und die Ausstattung
der Arbeitsplätze (Computer, Kommunikationstechnik) für den externen Energiebezug
maßgeblich. Wegen des hohen Primärenergieaufwands bei der Stromerzeugung kommt der
Senkung des Strombezugs z. B. für Kunstlicht
um 10 kWh/m2a einer Heizenergieeinsparung
von etwa 30 kWh/m2a gleich.(Abb. 7)
Abbildung 7 (rechts)
Der Primärenergiebedarf von Neubauten gemäß heutigem
Standard verglichen
mit einer energieoptimierten Variante.
Beim Stromverbrauch eingeschlossen sind neben
Abbildung 6
Thermohydraulische,
von der Sonne angetriebene Winkelverstellung der Abschattungslamellen.
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der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) auch die
jeweils nutzungsspezifischen Verbraucher wie Haushaltsgeräte und Arbeitsplatzausstattung. Elektrische
(End-) Energie wurde pauschal mit einem Faktor
3.0 in Primärenergie umgerechnet.
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Energiekonzepte, die z. B. vom Fraunhofer ISE
in Freiburg erarbeitet werden, zielen darauf ab,
durch geeignete Kombinationen von baulichen
und anlagentechnischen Maßnahmen den
externen Energiebezug eines Gebäudes zu senken. Mehrkosten für Energiesparmaßnahmen
(Wärmedämmung, tageslichtabhängige Kunstlichtsteuerung in Büros etc.) oder die Nutzung
der Solarenergie (Tageslichtnutzung, Solarkollektoren, Solarstromanlagen) werden idealerweise durch Minderkosten ausgeglichen:
durch Einsparung von Energiekosten während
des Betriebes und durch Minderung der Baukosten. So kann z. B. der Verzicht auf die aktive
Kühlung in Bürogebäuden finanzielle Spielräume für eine Optimierung des Gebäudes hinsichtlich Sonnenschutz und passiver Kühlung
schaffen.
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Beispiel 1:
Bürogebäude Hans Lamparter GbR, Weilheim
Ein bezüglich rationeller Energienutzung und
Solaroptimierung vorbildlich realisiertes Vorhaben ist das Bürogebäude der Firma Lamparter
in Weilheim. Durch eine konsequente Strategie
der Energieeinsparung ist der elektrische Energieeinsatz mit knapp 15 kWh/m2a so gering,
dass bei 1.000 m2 Nettogrundfläche (NGF)
der Ertrag der 67 m2 großen Solarstromanlage
(8 kWp) 45% des elektrischen Energiebedarfs
deckt. Betrachtet man den Primärenergiebezug
einschließlich Heizung, beträgt der Beitrag der
Photovoltaik zur Gesamtenergiebilanz des
Gebäudes 40%. (Abb. 8)
Photovoltaikanlagen können, sorgfältige
Gebäudeenergieplanung vorausgesetzt,
wesentliche Beiträge zur Energieversorgung
individueller Gebäude leisten. Dies gilt
sowohl im Wohnungs- als auch im Büround Gewerbebau [4].
Optimale Solarstromanlagen erreichen einen
Jahresertrag zwischen 800 kWh/kWp (Norddeutschland) und 900 kWh/kWp (Süddeutschland). Damit werden pro Kilowatt installierter
Photovoltaikleistung (kWp) 2.400 bis 2.700 kWh
Primärenergie substituiert. Pro Kilowatt wird
bei kristallinem Silizium eine Modulfläche von
8 bis 10 m2 benötigt. Glas/Glas- oder Isolierglasmodule für gleichzeitige Tageslichtnutzung
benötigen wegen der geringeren Dichte der
Zellenbelegung entsprechend größere Flächen.
Die Systemkosten von kleinen Solarstromanlagen mit Standardmodulen liegen heute bei
etwa 7500 €/kWp brutto; bei Großanlagen
sinken die Preise auf 6000 €/kWp.
Anlagen mit PV-Dachziegeln, Module als
Überkopfverglasungen oder als Bestandteil von
Funktionsisolierglas führen zu höheren Kosten,
wobei je nach Anwendung eine Kostengutschrift durch die Übernahme von baulichen
Funktionen berücksichtigt werden kann.
Im Idealfall einer Großanlage mit Standardmodulen liegen die Kosten pro substituierter
Primärenergie damit bei knapp 20 ct/kWh1.
Architektur: Werkgemeinschaft Maier-Weinbrenner-Single, Nürtingen.
Energiekonzept: Fraunhofer ISE, Messung: Hochschule für Technik, Stuttgart
Das dazu realisierte Maßnahmenpaket umfasst in erster Linie entwerferische und bauphysikalische Qualitäten. Darüber hinaus sind
es die effiziente Beleuchtung mit tageslichtabhängiger Regelung und der Ersatz der aktiven
Klimatisierung durch eine passive Kühlung
(Nachtlüftung, Luft-/ Erdregister), die bei
hohem Nutzungskomfort nur wenig Energie
benötigen. Die Kosten der Solarstromanlage
betragen etwa 5% der Bauwerkskosten von
knapp 1000 €/m2 NGF, brutto.
1 Nutzungsdauer 25 Jahre, 2% Wartungs-/ Instandhaltungs-/ Versicherungskosten, 4% Realzins, keine Fördermittel, keine
Vergütung, Anlagenjahresstromertrag 900 kWh/kWp, Primärenergiefaktor für Strom 3
Abbildung 8
Bürogebäude des
Hans Lamparter GbR,
Weilheim. Die Solarstromanlagen mit insgesamt 8 kWp befinden sich aufgeständert auf dem Pultdach
und als baulicher
Abschluss der Attika.
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Beispiel 2:
Gewerbebau mit rein solarer
Energieversorgung
Ein anderer Weg für ein nachhaltiges Energiekonzept, hier im Gewerbebau, wurde bei
der Realisierung der Solarfabrik in Freiburg
eingeschlagen [5]. Zielsetzung war die
”Nullemissionsfabrik” für die Produktion von
Photovoltaik-Modulen, aus zugelieferten Solarzellen. Der nach der energetischen Optimierung des Gebäudes verbleibende Energiebedarf wird ausschließlich aus erneuerbarer
Energie gedeckt.
Abbildung 9
Photovoltaikfassade
des Verwaltungs- und
Produktionsgebäudes
Solarfabrik Freiburg.
Die Solarstromanlagen mit insgesamt
56 kWp decken 15%
des Primärenergieverbrauchs.
Die weitaus überwiegende Anzahl der netzgekoppelten solaren Stromerzeugungsanlagen
in Deutschland ist auf Gebäuden montiert.
Die Gebäude können hierbei eine reine Funktion als Tragstruktur übernehmen. Interessantere Konzepte und Realisierungen weisen
aber in eine Zukunft, in der die Photovoltaik
deutliche gestalterische, ästhetische Akzente
setzt, in der die Photovoltaik funktionale Komponenten der Gebäudehülle substituiert und in
der die Photovoltaik wesentliche Anteile des
Gesamtenergiebedarfs von Gebäuden deckt.
Solarstromanlagen können, bei sehr energieeffizienten Gebäuden, einen großen Teil des
Primärenergiebezugs in der Bilanz ausgleichen,
ihre Kosten können, unter Berücksichtigung
der Gutschriften für die Substitution konventioneller Bauteile, den Kosten für Energieeinsparmaßnahmen im Rahmen eines ”least cost
planning” in vielen Fällen vorteilhaft gegenübergestellt werden.
Architektur: Werkgemeinschaft Maier-WeinbrennerSingle, Nürtingen. Energiekonzept: Fraunhofer ISE,
Messung: Hochschule für Technik, Stuttgart
Basis dafür sind ein mit Pflanzenöl betriebenes
Blockheizkraftwerk (45 kWel, 65 kWth), Solarstromanlagen unterschiedlicher Bauart mit insgesamt 56 kWp elektrischer Spitzenleistung
und ein mit Rapsöl betriebener 200 kW Heizkessel. Die Verbrauchszahlen im Betrieb lagen
1999 bei rund 96 kWh/m2a Heizwärme und
62 kWh/m2a Strom, beides vollständig regenerativ gedeckt (Bezugsfläche: 3442 m2NGF).
Die Solarstromanlagen decken etwa 23% des
Stromverbrauchs oder 15% des gesamten
Primärenergieverbrauchs (Abb. 9).
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5. Fazit
Derzeit wird eine ganzheitliche Betrachtung
zum Energieverbrauch von Gebäuden allerdings noch behindert durch die gängige
Planungspraxis, Regelwerke (Wärmeschutzund Energieeinsparverordnung), fehlende
gesetzliche Grenzwerte für den elektrischen
Energiebedarf von technischen Anlagen und
die Honorarordnung der Planer. Der Anspruch
von Gesamtenergiekonzepten, in denen die
Photovoltaik in Zukunft eine größere Rolle
spielen kann, muss die gewerkeübergreifende
Bearbeitung energetischer Fragestellungen in
Kontext von Architektur, Technik, Ökonomie
und Nachhaltigkeit sein.
Dr. Hansjörg Gabler • Photovoltaik am Gebäude – Stromversorgung mit Solazellen?
FVS Themen 2001
Literatur
[1] Tegtmeyer, D., Rabeneck, D.
und Friede, D. (2001)
Integration von Photovoltaik
in der Architektur.
In: Tagungsband des 16. Symposium
Photovoltaische Solarenergie Staffelstein
2001, Seite 528 – 532, OTTI, Regensburg.
[2] Bendel, C., Menges, O.
und Weißner, M. (1999)
Multifunktionale PhotovoltaikFassaden im Vergleich.
In: Tagungsband des 14. Symposium
Photovoltaische Solarenergie Staffelstein
1999, Seite 229 – 233, OTTI, Regensburg.
[3] Klotz, F. (1998)
Autarke Sonnenschutz- und
Lichtlenksysteme.
In: ForschungsVerbund Sonnenenergie
Themen 97/98, ForschungsVerbund
Sonnenenergie (Hrsg.), Berlin.
[4] Voss, K., Kiefer, K. und Reise, C. (2001)
Gebäudeenergiekonzepte mit Photovoltaik.
In: Tagungsband des 16. Symposium
Photovoltaische Solarenergie Staffelstein
2001, Seite 172 – 178, OTTI, Regensburg.
[5] www.solarfabrik.de/deutsch/produktion/
nullemissionsfabrik
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